لقد تساءل الناس منذ فترة طويلة عن شكل الحياة أولاً على الأرض ، وإذا كانت هناك حياة في نظامنا الشمسي وراء كوكبنا. لدى العلماء سبب للاعتقاد بأن بعض الأقمار في نظامنا الشمسي – مثل كوكب المشتري Europa و Saturn's enceladus – قد تحتوي على محيطات سائلة ممالية عميقة تحت قشرة جليدية. يمكن للبراكين في قاع البحر تسخين محيط هذه الأقمار ويوفر المواد الكيميائية الأساسية اللازمة للحياة.
تدعم البراكين المماثلة في أعماق البحار التي وجدت على الأرض الحياة الميكروبية التي تعيش داخل الصخور الصلبة بدون أشعة الشمس والأكسجين. بعض هذه الميكروبات ، التي تسمى thermophiles ، تعيش في درجات حرارة ساخنة بما يكفي لتغلي الماء على السطح. أنها تنمو من المواد الكيميائية التي تخرج من البراكين النشطة.
نظرًا لوجود هذه الكائنات الحية الدقيقة قبل وجود التمثيل الضوئي أو الأكسجين على الأرض ، يعتقد العلماء أن هذه البراكين والميكروبات في أعماق البحار يمكن أن تشبه الموائل الأولى والحياة على الأرض ، وما بعدها.
لتحديد ما إذا كانت الحياة يمكن أن توجد خارج الأرض في عوالم المحيط هذه ، أرسلت ناسا مركبة الفضاء كاسيني إلى مدار زحل في عام 1997. كما أرسلت الوكالة ثلاثة مركبة فضائية إلى كوكب المشتري: غاليليو في عام 1989 ، وجونو في عام 2011 ، وأحد المتبقي في مركبها في عام 2024.
ومع ذلك ، بالنسبة لعلماء الكواكب لتفسير البيانات التي يجمعونها ، يحتاجون أولاً إلى فهم كيفية عمل الموائل المماثلة واستضافة الحياة على الأرض.
مختبر علم الأحياء الدقيقة الخاص بي في جامعة ماساتشوستس يدرس AMHERST THERMOPHILES من الينابيع الساخنة في البراكين في أعماق البحار ، وتسمى أيضًا فتحات الفتحات الحرارية المائية.
الغوص في عمق عينات من الحياة
لقد نشأت في سبوكان ، واشنطن ، وكان لدي أكثر من بوصة من أرض الرماد البركانية في منزلي عندما اندلع جبل سانت هيلينز في عام 1980. أدى هذا الحدث إلى سحر البراكين.
بعد عدة سنوات ، أثناء دراسة علم المحيطات في الكلية ، جمعت عينات من نوابض جبل سانت هيلينز الساخنة ودرست حرارة من الموقع. قمت لاحقًا بجمع عينات في فتحات الفتحات الحرارية المائية على طول سلسلة جبال بركانية تحت سطح البحر على بعد مئات الأميال قبالة ساحل واشنطن وأوريجون. لقد واصلت دراسة هذه الفتحات الحرارية المائية والميكروبات الخاصة بها لمدة أربعة عقود تقريبًا.
يقوم الطيارون الغواصة بجمع العينات التي يستخدمها فريقي من فتحات الفتحات الحرارية المائية باستخدام غواصات تشغلها الإنسان أو الغواصات التي يتم تشغيلها عن بُعد. يتم تخفيض هذه المركبات في المحيط من سفن البحث حيث يجري العلماء الأبحاث على مدار 24 ساعة في اليوم ، وغالبًا لأسابيع في المرة الواحدة.
تشمل العينات التي تم جمعها الصخور والسوائل الحرارية المائية الساخنة التي ترتفع من الشقوق في قاع البحر.
تستخدم الغواصات الأسلحة الميكانيكية لجمع الصخور ومضخات أخذ العينات الخاصة وأكياسها لجمع السوائل الحرارية المائية. عادة ما تبقى الغواصات على قاع البحر لمدة يوم تقريبًا قبل عودة العينات إلى السطح. يقومون برحلات متعددة إلى قاع البحر على كل رحلة استكشافية.
داخل الصخور الصلبة في قاع البحر ، تخلط السوائل الحرارية المائية على ارتفاع 662 درجة فهرنهايت (350 درجة مئوية) مع مياه البحر الباردة في شقوق ومسام من الصخور. يخلق مزيج السائل الحراري المائي ومياه البحر درجات الحرارة المثالية والظروف الكيميائية التي تحتاجها الحرارية إلى العيش والنمو.
عندما تعود الغواصات إلى السفينة ، يبدأ العلماء – بمن فيهم فريق البحث الخاص بي – في تحليل الكيمياء والمعادن والمواد العضوية مثل الحمض النووي في عينات المياه التي تم جمعها.
تحتوي هذه العينات على ميكروبات حية يمكننا زراعتها ، لذلك ننمو الميكروبات التي مهتمون بالدراسة أثناء السفينة. توفر العينات لقطة لكيفية عيش الميكروبات وتنمو في بيئتها الطبيعية.
الحرارة في المختبر
بالعودة إلى مختبري في Amherst ، يقوم فريق البحث الخاص بي بعزل الميكروبات الجديدة عن عينات التهوية الحرارية المائية وينموها في ظل ظروف تحاكي تلك التي يعانون منها في الطبيعة. نقوم بإطعامهم المواد الكيميائية البركانية مثل الهيدروجين وثاني أكسيد الكربون والكبريت والحديد وقياس قدرتها على إنتاج مركبات مثل الميثان وكبريتيد الهيدروجين والمغنتيت المعدني المغناطيسي.
عادة ما يكون الأكسجين مميتًا لهذه الكائنات الحية ، لذلك ننموها في السائل الحراري المائي الاصطناعي وفي أنابيب مغلقة أو في مفاعلات حيوية كبيرة خالية من الأكسجين. بهذه الطريقة ، يمكننا التحكم في درجة الحرارة والظروف الكيميائية التي يحتاجونها للنمو.
من هذه التجارب ، نبحث عن تمييز الإشارات الكيميائية التي تنتجها هذه الكائنات التي يمكن أن تكتشف هذه المركبات الفضائية أو الأدوات التي تهبط على الأسطح خارج كوكب الأرض.
نقوم أيضًا بإنشاء نماذج كمبيوتر تصف أفضل ما نعتقد أن هذه الميكروبات تنمو وتتنافس مع الكائنات الحية الأخرى في الفتحات الحرارية المائية. يمكننا تطبيق هذه النماذج على الظروف التي نعتقد أنها موجودة على الأرض المبكرة أو في عوالم المحيطات لنرى كيف يمكن أن تكون هذه الميكروبات في ظل هذه الظروف.
ثم نقوم بتحليل البروتينات من thermophiles التي نجمعها لفهم كيفية عمل هذه الكائنات الحية والتكيف مع الظروف البيئية المتغيرة. كل هذه المعلومات توجه فهمنا لكيفية وجود الحياة في البيئات القاسية داخل الأرض وخارجها.
استخدامات للحيوانات الحرارية في التكنولوجيا الحيوية
بالإضافة إلى توفير معلومات مفيدة لعلماء الكواكب ، توفر الأبحاث حول Thermophiles فوائد أخرى أيضًا. العديد من البروتينات في الحرارية جديدة هي جديدة في العلوم ومفيدة للتكنولوجيا الحيوية.
أفضل مثال على ذلك هو إنزيم يسمى بوليميريز الحمض النووي ، والذي يستخدم لتكرار الحمض النووي بشكل مصطنع في المختبر بواسطة تفاعل سلسلة البلمرة. تم تنقية بوليميريز الحمض النووي المستخدم لأول مرة لتفاعل البلمرة من البكتيريا الحرارية Thermus Aquaticus في عام 1976. يجب أن يكون هذا الإنزيم مقاومًا للحرارة لتقنية النسخ المتماثل للعمل. كل شيء من تسلسل الجينوم إلى التشخيصات السريرية ، وحل الجريمة ، واختبارات علم الأنساب والهندسة الوراثية تستخدم بوليميريز الحمض النووي.
يستكشف مختبري وغيره من الطريقة التي يمكن بها استخدام الحرارية لتخفيض النفايات وإنتاج منتجات مفيدة تجاريًا. تنمو بعض هذه الكائنات الحية على مضيق الحليب من مزارع الألبان ومياه الصرف الصحي في مصنع الجعة – المواد التي تسبب قتل الأسماك والمناطق الميتة في الأحواض والخلجان. ثم تنتج الميكروبات بيولوجي من النفايات – مركب يمكن استخدامه كمصدر للطاقة.
التهوية الحرارية المائية هي من بين أكثر البيئات الرائعة وغير العادية على الأرض. معهم ، قد تقع النوافذ إلى الحياة الأولى على الأرض وما بعدها في أسفل محيطاتنا.
يتم إعادة نشر هذه المقالة من المحادثة ، وهي مؤسسة إخبارية مستقلة غير ربحية تجلب لك الحقائق والتحليلات الجديرة بالثقة لمساعدتك على فهم عالمنا المعقد. كتبه: جيمس ف. هولدن ، Umass Amherst
اقرأ المزيد:
جيمس ف. هولدن يتلقى تمويل من ناسا.